CC BY
165
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
Основные критерии, которым должна отвечать установка для электроснабжения с использованием ФЭП, являются способность бесперебойной работы и удобство модернизации системы для потребителя. Под удобством модернизации системы, подразумевается наличие базовых возможностей расширения ряда ФЭП, без участия специализированного персонала. Не смотря на подтверждение эффективности внедрения систем маломощных фотоэлектрических установок для генерации электрической энергии, решение о переходе к альтернативным источникам, остается за потребителем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Метеоданные с погодной станции WeatherLink, с сайта «Погода в г. Пушкин» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://weather-pushkin.jimdo.com свободный.
2. Таран А.А., Воронин С.М. Эффективность фотоэлектрических преобразователей в концентрированном солнечном излучении /А.А. Таран, С.М. Воронин//Вестник аграрной науки Дона. 2011. №3(15).
3. Эрк А.Ф., Никитин А.В. Использование активных и пассивных солнечных коллекторов в системах солнечного водонагрева в северозападном регионе РФ/А.Ф. Эрк, А.В. Никитин//Энергосберегающие технологии и технические средства для их обеспечения в сельскохозяйственном производстве: Международная научно -практическая конференция молодых ученых, г. Минск, 25-26 августа 2010г/РУП НПЦ НАН Беларуси по механизации с.-х. Минск, 2010. С.277-280.
УДК 628.979:581.035
С.А. РАКУТЬКО, доктор техн. наук; А.В. ВАСЬКИН; Р.Ф. МИНУЛЛИННА; В.Ф. КАМАЛОВ; В.А. РЯЖСКИХ
МЕТОД ОЦЕНКИ ПОЛЕЗНОСТИ ПОТОКА ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ НА ПРИМЕРЕ РАССАДЫ ТОМАТА И ОГУРЦА
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
_ИАЭП. 2015. Вып. 87._
Представлена методика и разработан прибор, позволяющий определить показатель полезности потока как степень соответствия измеренного и оптимального для растений спектрального состава излучения. Приведены результаты оценки полезности потоков излучения натриевых ламп и светодиодных источников, полученные в серии экспериментов по выращиванию рассады томата и огурца. Показано, что величина показателя полезности потока связана с качеством получаемой рассады и ее биометрическими показателями.
Ключевые слова, оптическое излучение, спектральный состав, полезность спектра, светокультура.
S.A. RAKUTKO, DSc (Eng); A.V. VASKIN; R.F. MINULLINNA; V.F. KAMALOV; V.A. RYAZHSKIKH
ESTIMATION METHOD OF THE LIGHT UTILITY OF OPTICAL RADIATION SOURSES IN INDOOR PLANT LIGHTING: CASE STUDY OF TOMATO AND CUCUMBER TRANSPLANTS
The technique and device have been developed, which allow to determine the index of light utility (LU) as a degree of compatibility of measured light quality of radiation with the light quality that is specified as optimal for plants. The results of light utility evaluation of sodium lamps and LED sources obtained in a series of experiments on cultivation of tomato and cucumber transplants are described. The relationship between LU index and the quality of the produced transplants and their biometric indicators is shown.
Key words: optical radiation, light quality, light utility, indoor plant lighting.
При выращивании растений в светокультуре важным является контроль спектрального состава создаваемого потока оптического излучения [1]. Экономические показатели светокультуры непосредственно зависят от соответствия спектрального состава излучения требуемым значениям [2]. Параметры радиационной среды растения влияют на фоторецепторы (фитохромы, криптохромы и фототропины), которые изменяют экспрессию большого числа генов. Спектральный состав излучения оказывает глубокое воздействие на рост, развитие и физиологию растений. Изменения спектра вызывают различные морфогенетические и фотосинтетические реакции, которые различаются у различных видов
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
растений. Такие фотореакции имеют практическое значение в современных технологиях растениеводства, так как возможность изменения спектра излучения позволяет целенаправленно управлять ростом и развитием растений, их пищевой ценностью. В то время как частные реакции растений по отношению к отдельным спектральным воздействиям иногда могут быть предсказаны на основании опубликованных исследований, общую же реакцию растений, выражаемую в показателях их роста и развития, как правило, трудно прогнозировать из-за сложного взаимодействия многих частных реакций [3].
В различных исследованиях использовались светодиоды для выращивания овощей, в том числе томата (Solanum Esculentum) [4] и огурца (Cucumis Sativus) [5]. В зависимости от спектра излучения были обнаружены положительные физиологические, морфологические эффекты, выявлено повышенное содержание питательных веществ. Влияние спектра существенным образом зависит от вида растения.
По данным различных авторов, добавление зеленого света в сочетании с синим и красным влияет на процессы роста и развития растения, потому что зеленый свет проникает листву лучше и ее глубокие слои используют зеленый свет в фотофизиологических процессах более эффективно.
Саженцы томатов под светодиодными модулями с дополнительным зеленые излучением 520 нм не вытягивались, но площадь листьев, сырая масса и содержание сухого вещества, особенно корневой системы, были небольшими.
Исследования показали положительный эффект от дополнительного освещения зеленым светом на рост и развитие саженцев огурца. Были проведены многочисленные эксперименты для оценки действия синих светодиодов, дополнительных к натриевым лампам, а также в сочетании с красными светодиодами в различных соотношениях на рост и развитие томатов, огурцов и перца растений в теплицах или климатических камерах. Было установлено, что синий свет в спектре требуется для нормальной структуры хлоропластов, строения листа и для предотвращения нарушений фотосинтеза. Синий свет снижает вытягивание растения и препятствует увеличению площади листа у рассады томата и огурца. Небольшой поток зеленого света (505, 530 нм), дополнительно к натриевым лампам и естественному освещению в теплице
245
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. _ИАЭП. 2015. Вып. 87._
способствовал увеличению площади листьев, сырой и сухой массы рассады огурцов, томатов и перца. Оранжевые и зеленые светодиоды, дополнительно к основному потоку от красных, синих и дальнекрасных светодиодов в вегетационной камере, ускоряли рост рассады огурца, но отрицательно влияли на рост рассады томата.
Термин «качество света» (англ. light quality) в специальной литературе переводится как «спектральный состав», или «спектр», который обычно представляют графически или таблично значениями интенсивности потока на различных длинах волн.
В философском понимании качество — это присущие какому-либо объекту свойства и характеристики, определяющие объект как таковой и отличающие его от другого объекта [6]. В этом смысле, образуя термин в более узком и прикладном значении (качество света), новое определение не должно противоречить фундаментальному определению качества как категории. Однако в данном случае (как и во многих технических определениях), качество определяется не только как совокупность объективно присущих продукции свойств и характеристик, но и как удовлетворение потребностей (соответствие требованиям). На наш взгляд, способность потока излучения соответствовать предъявляемым требованиям (удовлетворять потребности растения в энергии) следует характеризовать термином полезность (англ. light utility, LU). Целью данной работы является обоснование параметра, характеризующего близость спектров измеряемого потока, и потока, наиболее эффективного для растений данного вида, названного нами полезностью потока.
Первичной спектральной информацией являются величины
Л
энергетической облученности еа , Вт.м для каждой длины волны л. Спектр излучения, измеряемый широко распространенными приборами с небольшим шагом по длинам волн, обладает избыточностью, только затрудняющей его качественную оценку. Достаточно признанным в метрологии светокультуры является подход, основанный на выделении трех спектральных поддиапазонов ФАР: синего (B - blue) 400-500 нм, зеленого (G - green) 500-600 нм и красного (R - red) 600-700 нм. Исследования роста, фотосинтеза и продуктивности растений показали, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растении являются следующие доли энергии по спектру ФАР в поддиапазонах: в синем кв =0,3; в зеленом
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
ка =0,2; в красном кК =0,5 [7]. Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения кт, обеспечивающие наилучшие результаты. Так, для огурца -ктн : кзел : ккр = 17% : 40% : 43%, для томата - к^ : к3еЛ : к кр = 15% :17% :68 % [88 ].
Фотонная облученность в диапазоне ФАР определяется как сумма облученностей в поддиапазонах:
ефар = Ев + Ео + ЕК . (1)
Доли потоков в общем потоке равны долям соответствующих облученностей в общей облученности ФАР. При трех поддиапазонах достаточно вычисления доли потоков в двух поддиапазонах, например, синем и красном:
Е Е
кв К =-Е^ _
ЕФАР ЕФАР кО = 1 — кК — кВ (2)
С данным набором можно сопоставить точку, характеризуемую коэффициентами кв, ка, кл в треугольной системе координат, оси которой направлены по сторонам равностороннего треугольника.
Рис. 1. Оценка близости спектрального состава излучения
Рис. 2. Характеристика спектра источников света
Для двух точек А и В (рис. соответствующим осям:
Ав = кВ - кВ, Ая = кА - кв
1) разности координат по
(3)
(4)
Расстояниеь^ между точками А и В (т.е. степень близости соответствующих спектров) определяется из прямоугольного треугольника ABD:
3
BD = К sin 60° = А
BD=BD+CD- \ÄD=А R-
5
\ÄD=А r +-AB; =BB =V |ÄD|2+BD2 J
LBB 4AR +ArAB +A
CD = A cos 60° = - A£
(A r + - А в )2 + (^ а в )2
V2
B
(5)
Приняв спектр одной из точек в качестве нормируемого, полезность потока можно оценить по величине
ьи = (1 - Ьн ) х 100%, (6)
где ^ - расстояние между точками, отображающими измеренный (И) и нормируемый (Н) спектры в треугольных координатах.
На рис. 3, слева показана функциональная схема прибора для определения полезности потока, реализующего рассмотренную методику. Полихроматор (1) разлагает исследуемый поток оптического излучения диапазона ФАР в спектр, характеризуемый величиной энергетической облученности ел, Вт.м2 для каждой длины волны л, нм.
Рис. 3. Функциональная схема анализатора качества спектра (слева) и оконный интерфейс его программной реализации (справа)
Блок регистрации спектра (2) осуществляет формирование
сигнала, пропорционального величине ед на отдельных длинах волн.
Блок (3) определения фотонной облученности преобразует величины
энергетической облученности в величины фотонной облученности, -2 -1 моль. м .с .
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
Сумматоры (4), (5) и (6) определяют фотонную облученность в отдельных поддиапазонах ФАР. Сумматор (7) определяет энергию фотонного потока всего диапазона ФАР.
Блоки деления (8) и (9) определяют доли фотонных потоков в спектральных поддиапазонах в относительных единицах. В блоках (10) и (11) задают нормированные для облучаемых культур доли потоков в относительных единицах для первого и второго спектральных поддиапазонах, например, для синего kB и красного kR. Блоки вычитания (12) и (13) формируют значения дв и дл. Блоки (14) -(18) формируют значения l , отн. ед. Блоки (19) и (20) формируют значение LU, %, отображаемое блоком индикации 21.
Рассмотренный метод был реализован в виде электронной таблицы Excel, окно которой показано на рис. 3, справа. Исходные данные для апробации рассмотренного подхода были получены в серии экспериментов по выращиванию рассады огурца и томата в лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП [9].
Для эксперимента были взяты партенокарпический гибрид огурца F1 Кураж и детерминантный гибрид томата F1 Благовест, предназначенные для выращивания в остекленных и пленочных теплицах. Гибриды предъявляют высокие требования к освещенности. Источниками света служили светодиодные (СД) излучатели фирмы LEDEL и лампы ДНаЗ супер/Reflux S 400 (рис. 4).
Рис. 4. Облучательные установки с лампами ДНаЗ (слева) и СД (справа)
Спектры излучения источников измеряли прибором ТКА-ПКМ ВД/04 с доработанным программным обеспечением (рис. 5).
1,0
0,8 --
0,6
К н о
« 0,4 о н о С
0,2
0,0
-ДНаЗ
—— LEDEL
А
/\
400,0
500,0 600,0 Длина волны, нм
700,0
Рис. 5. Спектры излучения источников (слева) и прибор для их измерения
(справа)
В качестве субстрата использовали верховой торф, нейтрализованный мелом до рН 6,0 и заправленный удобрениями до уровней элементов питания, мг/л: N03 - 240, КН4 - 12, Р205 - 60, К2О - 300, Са - 180, Mg - 80, Мп - 0,50, Мо - 0,05, Си - 0,05. Сеянцы томата пикировали в стаканчики объемом 663 см , сеянцы огурца - в
о
стаканчики объемом 412 см . Расстановку рассады огурца проводили через 14 дней после появления всходов (25 растений на 1 м2). Расстановку рассады томата проводили дважды: после смыкания рядков и за 2 недели до окончания опыта в возрасте 40 дней от посева (25 растений на 1 м2). Подкормку рассады проводили растворами удобрений К^04, MgS04, КН2Р04 и Са^03)2. Концентрацию питательного раствора удобрений поддерживали в пределах ЕС 1,82,5 мСм/см. Влажность субстрата в горшочках 75-80% НВ поддерживали дозированным расходованием воды температурой 24-25оС. Температуру воздуха в светотехнической комнате поддерживали на уровне 23-25оС с помощью принудительной системы вентилирования воздуха. Интегральная облученность оценивалась по величине освещенности, которая составляла 7-8 кЛк для томатов и 5-6 кЛк для огурцов.
На рис. 6 показан внешний вид рассады томата и огурца при использовании лампам ДНаЗ и СД излучателей.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Рис. 6. Рассада томата (слева) и огурца (справа) под лампами ДНаЗ и СД
Как показали результаты экспериментов, при выращивании рассады томата под лампами ДНаЗ наблюдалось вытягивание растений. Начало формирования цветочных кистей отмечали на 4850-й день после посева. На 53-й день у всех растений была сформирована цветочная кисть.
Под СД излучателями формировались компактные растения томата с мощным, сильно опушенным стеблем, темными с фиолетовыми прожилками листьями. На листьях отмечали единичные бурые пятна, однако в целом это не вызывало инфекционного фона у рассады томатов. У растений на 44-й день после посева полностью сформировалась 1-я кисть над 8-м листом и на 55-й день были сформированы 2-е цветущие кисти. Развитие растений огурца под лампами ДНаЗ имело вегетативную направленность. Образование боковых побегов у рассады огурца отмечали на 23-й день после появления всходов.
Рост и развитие рассады огурца под СД излучателями имело генеративную направленность, проявляющуюся в приобретении темно-зеленой окраски листьев, утолщении корневой шейки и укороченными междуузлиями. Боковые побеги у растений появились на 18-й день после всходов. Характеристики рассады томата и огурца при досвечивании представлены в таблице.
Таблица 1
Характеристики рассады огурца и томата_
Показатели Томат (55 дней) Огурец (25 дней)
ДНаЗ LEDEL ДНаЗ LEDEL
Высота растения, см 79,35±1,21 43,50±0,84 27,85±0,83 15,40±0,61
Количество листьев, шт 12,45±0,15 11,30±0,16 5,75±0,12 5,75±0,10
Диаметр стебля, мм 6,92±0,18 8,57±0,38 6,28±0,18 8,40±0,30
Сырая масса растения, г 53,80±1,9 51,20±1,15 24,70±1,01 30,25±0,97
Сухое вещество, % 5,69±0,34 8,80±0,52 6,00±0,39 7,97±0,30
LU, % 74,5 86,2 91,3 73,7
В этой же таблице показаны значения величины полезности спектра LU. В качестве нормированных значений приняты указанные выше спектральные соотношения (точка, обозначенная символом «о» для огурца и «т» на рис. 2). Анализ рис.2 и значений LU из таблицы показывает, что спектр ламп ДНаЗ ближе к требованиям огурца, а СД - томата. Качество рассады томата, выращенной под СД, лучше, чем под ДНаЗ, при этом значения полезности спектра при СД больше, чем при ДНаЗ (86,2>74,5). Качество рассады огурца, выращенной под ДНаЗ, лучше, чем под СД, при этом значения полезности спектра при ДНаЗ больше, чем при СД (91,3>73,7). Таким образом, по величине полезности спектра можно судить о большей или меньшей пригодности данного источника излучения для облучения конкретной культуры.
Наглядность величины показателя полезности потока и простота его определения позволяет использовать предлагаемый подход в научных исследованиях, в учебном процессе аграрного вуза, при проведении энергоэкоаудита в культивационных сооружениях, в производственном процессе светокультуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ракутько С.А. Система контроля параметров источников света для облучения растений // Актуальные проблемы электронного приборостроения материалы IX Международной конференции (АПЭП-2008). Саратов: СГТУ, 2008. С. 327-330.
2. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения с позиций прикладной теории
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.2015.№39.С. 359-367.
3. Mortensen, L.M. and E. Stromme. Effects of light quality on some greenhouse crops. Scientia Hort. 1987, 33:27-36.
4. Xiaoying L, Shirong G, Taotao C, Zhigang X, Tezuka T. Regulation of the growth and photosynthesis of cherry tomato seedlings by different light irradiations of light emitting diodes (LED). African Journal of Biotechnology. 2012;11:6169-6177.
5. Brazaityte A, Duchovskis P, Urbonaviciute A, Samuoliene G, Jankauskiene J, Kasiuleviciute A, Bliznikas Z, Novickovas A, Breive K, Zukauskas A. The effect of lightemitting diodes lighting on cucumber transplants and after-effect on yield. Zemdirbyste-Agriculture. 2009;96:102-118.
6. Гегель. Энциклопедия философских наук. М., 1974.
7. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. -1987. т. 34. Вып.4.
8. Сарычев Г.С. Продуктивность ценозов огурцов и томатов в функции спектральных характеристик ОСУ // Светотехника. 2001. №2. С.27-29.
9. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П. Сравнительная эффективность применения светодиодных и газоразрядных источников потока оптического излучения для досвечивания рассады томата и огурца // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб.тр. X межд. науч.-техн. конф. 13-14.12.2012. Саранск: СВМО, 2012. С.135-139.
